Micromanipulation based on electromagnetic actuators


Creative Commons License

Ablay G., İçöz K., Böyük M.

International Scientific and Vocational Studies Congress (BILMES2018), Nevşehir, Turkey, 5 - 08 July 2018, pp.450-451

  • Publication Type: Conference Paper / Summary Text
  • City: Nevşehir
  • Country: Turkey
  • Page Numbers: pp.450-451
  • Kocaeli University Affiliated: Yes

Abstract

This work is intended to investigate the optimal design problem of electromagnetic actuators for effective single molecule manipulations. In electromagnet designs, the applied current and magnet configurations determine the magnetic force and torque strength, and thus, suitable core and yoke structures with a feedback control mechanism are needed to be developed for optimal and precise designs. In this work, we focused on electromagnetic actuator designs strengthened with a core constructed with soft iron or Mu-metal, and a yoke made from iron. In the designs the effect of material saturation and hysteresis are taken into account for optimal operations. A superparamagnetic bead is used for attaching the biological molecule for manipulations and force measurements. Due to the complexitiy of the geometry and materials, the magnetostatic design problem for suitable designs is solved with finite element methods. The magnetic actuators are aimed to exert approximately 1 to 20 pN force on the 4.5 μm superparamagnetic bead and assure an effective stiffness around 10−6 pN/nm. Single, double and quadrupole electromagnets based magnetic micromanipulators with various structures and configurations are designed for effective, low-cost and biocompatible designs, and optimal designs are searched. It is found that quadrupole electromagnets with tip-shaped nickel-iron alloy cores with a 6 mm taper length and with an iron circular yoke are able to provide the optimal magnetic flux density for the selected design parameters. The designed electromagnetic micromanipulators are capable of producing a wide range of force for biological separation, medical treatment, and biosensor developments with biocompatible solutions.

Bu çalışma etkin molekül manipülasyonu için elektromanyetik aktüatörlerin optimal tasarım problemini araştırmak için yapılmıştır. Elektromıknatıs tasarımında, uygulanan kontrol akımı ve mıknatıs konfigürasyonu manyetik kuvvet ve tork değerlerini belirlemektedir ve bundan dolayı optimal, kuvvetli ve hassas bir tasarım için uygun nüve ve boyunduruk yapılarıyla beraber geribeslemeli kontrol mekanizmasının geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada yumuşak metal veya Mu-metalden yapılmış nüve ve demirden yapılmış boyunduruk ile kuvvetlendirilmiş elektromanyetik aktüatör tasarımı üzerine yoğunlaşıldı. Kulanılan malzemelerin manyetik doyumu ve histerezis karekteristiği optimal tasarımlar için dikkate alınmıştır. Manipülasyon ve kuvvet ölçümü amacıyla biyolojik moleküllere yapıştırılabilen bir süperparamanyetik parçacık kullanılmıştır. Geometri ve malzeme karmaşıklığından dolayı manyetostatik tasarım problemi sonlu elemanlar metodu ile çözülmüştür. Manyetik aktüatörlerin, 4.5 μm çaplı süperparamanyetik parçacık üzerinde yaklaşık olarak 1-20 pN kuvvet üretmesi ve 10−6 pN/nm civarında da etkin direngenlik değerine sahip olması amaçlanmıştır. Tek, çift ve dört elektromıknatıstan yapılmış manyetik mikromanipülatörler farklı yapılarda ve konfigürasyonlarda tasarlanarak etkin, düşük maliyetli ve biyouyumlu dizaynlar yapıldı ve optimal tasarımlar araştırıldı. Tasarım gereksinimleri sağlayan optimal manyetik akı yoğunluğu değeri 6 mm boyundaki koni şekilli uca sahip nikel-demir alaşımlı nüve ve demirden yapılmış yuvarlak boyunduruğa sahip dört elektromıknatıstan oluşan konfigürasyon ile elde edildi. Tasarlanan elektromanyetik mikromanipülatörler biyolojik ayrıştırma, tıp ve biyosensör geliştirilmesi gibi alanlarda kullanılabilecek geniş bir kuvvet aralığında çalışabilme kapasitesine sahiptir.